化學機械拋光中表面損傷的問題研究

崔景光

摘 要：在一定的工況參數條件下，機械作用和化學作用匹配時，可以獲得高的材料去除率和無表面層及亞表層損傷的高質量的拋光表面。在化學機械拋光過程中，機械作用的加強可以提高材料去除率，但作用力增至一定值之后，拋光后表層和亞表層損傷將逐漸加大；化學作用可以增加機械作用下的材料去除率，但拋光表面在化學反應作用下會產生表面損傷。所以，本文對化學機械拋光中表面損傷的問題進行研究。

關鍵詞：化學機械；拋光；問題研究

中圖分類號：TG662 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0065-02

1 影響化學機械拋光的諸多因素

1.1 工藝因素

實際生產中，硅片表面損傷是硅片化學機械拋光過程中常見的問題。也是影響產品良率的主要原因。輕者需要返工，嚴重會導致硅片報廢。而硅片的表面損傷，由多種因素共同影響。影響拋光質量有諸多因素，主要有化學作用和機械作用共同影響，所以兩者要有一個適當平衡，才能使拋光質量穩定。

1.2 拋光液

它主要影響化學作用。1.1.1PH值：其他條件不變時，調節拋光液的PH值，分別在酸性、中性、堿性條件下拋光鈮酸鋰晶圓，并測量不同拋光片的損傷層厚度，結果如表1：

1.2.1 黏度

黏度影響流動性，進而影響反應物和產物在被拋光片表面的傳輸以及拋光布和拋光片表面的潤滑。經過生產線大量的數據佐證，現在的拋光液對CMP研磨的影響主要表現在以下幾個方面：（1）拋光液使用大顆粒或表面硬度的顆粒來獲取高的研磨速率，這種拋光液雖然可以快速去除材料，但使硅片表面容易造成刮傷，給下道工藝帶來困難。（2）許多拋光液穩定性差，容易產生化學沉淀、分層，不能長期存放，在使用前需要長時間攪拌。（3）有些拋光液中含有金屬離子，使硅片表面產生金屬沾污，造成缺陷，使其性能降低，甚至導致器件不能工作。

1.2.2 磨料

磨料提供了CMP的機械作用，磨料尺寸、濃度以及硬度對機械研磨有不同程度的影響。磨料的選擇對劃傷也有很大影響。隨著特種尺寸的不斷減小，對表面劃傷的控制也越來越嚴格。對于硬度大的磨料，雖然在去除速率上會有優勢，但是這種磨料更容易產生劃傷問題，因此CMP一般選擇硬度適中的SiO2水溶膠作為磨料。

1.3 拋光墊使用的影響

拋光墊是拋光過程中重要的一環，按是否含有磨料可以分為有磨料拋光墊和無磨料拋光墊；按材質的不同可以分為聚氨酯拋光墊、無紡布拋光墊和復合型拋光墊；按表面結構的不同大致可分為平面型、網格型和螺旋線型。其作用是把拋光液有效均勻地輸送到拋光墊的不同區域，將拋光后便化學反應充分進行的反應物、碎屑等順利排出，達到去除效果，維持拋光墊表面的拋光液薄膜，以便化學反應充分進行，保持拋光過程的平穩、表面不變形，以便獲得較好的晶片表面形貌。影響其因素有：硬度、壓縮比、涵養量、粗糙度、密度。

1.4 拋光布

拋光布在整個拋光過程中起著重要的作用，它除了可以使拋光液有效地均勻分布外，還要能夠提供新補充進來的拋光液，并能順利地將反應后的拋光液及產物排出。硬度是表征拋光布性能的一個重要參數，使用硬的拋光布（粗拋布），可獲得較好的整體與局部平整度，而軟的拋光布（精拋布）可獲得較好的表面質量與活性。

1.5 其他工藝參數的影響

研磨液流量、研磨溫度、研磨頭壓力、轉速。

（1）研磨液流量。研磨液流量是化學機械研磨過程中一個重要的參數。其對研磨去除速率、研磨后表面粗糙度有很大影響。流量較小時，硅片與研磨墊之間的摩擦力較大，使得研磨后表面缺陷增大。并且摩擦力增大還會使研磨過程中硅片局部溫度過高，使硅片表面缺陷增加；流量過大時，研磨過程中局部化學作用大于機械作用，導致金屬表面腐蝕嚴重，表面粗糙度增大，并造成研磨液的浪費。

（2）研磨溫度。在化學機械研磨過程中，隨著研磨液溫度的變化，將會影響化學反應的速度。當溫度升高時，研磨去除速率會提高，但是如果溫度過高，化學反應過于劇烈，容易造成硅片表面劃傷增多，因此，為了滿足CMP的平坦化要求，溫度必須控制在合適的范圍內。

（3）壓力。研磨頭的壓力對硅片表面均勻性和去除速率影響很大。通常在研磨過程中，研磨頭不同半徑所給的壓力是不同的，這樣可以將硅片表面均勻性控制在較好的范圍。為了提高去除速率可以增大壓力，但同時壓力增大到一定值也會帶來一些缺陷。

（4）轉速。在CMP中，轉速主要包括研磨頭、研磨墊以及修整器的轉速。一般研磨頭和研磨墊是同向轉動的，并且它們的轉速也是不同的，不同的研磨頭和研磨墊轉速選擇對研磨去除速率和研磨后表面粗糙度都有很大影響。

1.6 拋光機的清理與維護對硅片質量的影響

拋光機的日常清理與維護包括拋光液的過濾及拋光液容器的清理、陶瓷盤的定時清理、拋光機的定時清理。拋光液原液會在桶口產生結晶，配好的拋光液也會在容器口產生結晶，過濾拋光液原液及清理拋光液容器可避免結晶物劃傷硅片。永久及存放久的陶瓷盤也會有雜物顆粒損傷硅片，需定時清理。拋光機旋轉機構也會出現結晶物，定時清理避免結晶掉落劃傷硅片。

2 單晶硅拋光片的亞表層損傷和微觀結構變化的研究

超精密拋光過程是納米磨粒撞擊拋光片表面而去除材料的微觀加工過程。當磨粒撞擊硅片30s時，發現硅片亞表層產生了位錯和微晶現象；當沖擊時間為10min時，硅片的亞表層出現了嚴重的非晶層和劃痕損傷。硅片的納米壓痕研究也表明，在不同的壓力條件下，硅片會產生非晶相、β相、微晶相和晶格相等不同的相態。同時，由于壓力施加和移除的過程不同，各相態之間還存在著一定的相互轉化的內在關系。當拋光壓力大于25kPa時，硅片亞表層產生了非晶層損傷，而當拋光壓力為20kPa時，則可以獲得無亞表層缺陷的拋光結果。同時該研究也證實了，通過調控拋光壓力可以獲得無表面損傷和亞表層損傷的單晶硅拋光片。這是因為，在不同的壓力條件下，硅晶體產生不同的相變。當硅片和磨粒接觸區域的八面剪切應力大于4.6GPa，同時靜水壓力小于8GPa時，硅片拋光過程中產生的非晶層，則會在磨粒離開硅片表面后轉變為晶格狀態，從而實現了無損傷的超精密拋光。然而，拋光壓力過低則使得材料研磨去除速率偏低。綜上所述，盡管化學機械拋光中化學作用顯著，但是，在本文作者查閱的文獻中，還未見到化學作用對硅片拋光亞表層相態影響的研究報道，化學機械拋光亞表層損傷的控制還停留在經驗調控的水平。

3 結語

通過大量實驗驗證表明，通過控制拋光溫度和拋光液PH值，拋光壓力和磨料顆粒度等參數，使參數既可滿足生產高質量不產生表面損傷的拋光片同時，又盡可能的提高生產速率。在一定的工況參數條件下，機械作用和化學作用匹配時，可以獲得高的材料去除率和無表面層及亞表層損傷的高質量的拋光表面。在化學機械拋光過程中，機械作用的加強可以提高材料去除率，但作用力增至一定值之后，拋光后表層和亞表層損傷將逐漸加大；化學作用可以增加機械作用下的材料去除率，但拋光表面在化學反應作用下會產生表面損傷。通過調整機械參數如壓力和速度等可以控制摩擦化學反應中的反應熱，從而實現機械作用對摩擦擴散化學的控制，調控單晶硅片的超精密拋光中化學物質的使用，實現環保型綠色拋光。通過上述多種方法，工藝產品良率得到提升，實現合格拋光片的穩定產出。

參考文獻

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